航班预演平台构建技术研究

袁小凯

摘要：为了实现空中交通流量管理，解决当前飞机延误问题，需要搭建航班预演平台，对航班计划进行预演，推算出空中交通流量情况，削峰填谷实现流量和容量的动态平衡，提高空中交通运行效率，加大可用空域利用率。

关键字：空中交通流量管理；飞机延误；航班预演

Abstract:In order to realize the air traffic flow management and solve the problem of aircraft delay, it is necessary to build a flight preview platform to predict the air traffic flow, to cut the peak and fill the valley to realize the dynamic balance of the flow and capacity, and to improve the traffic operation efficiency.Increase the utilization of airspace.

Keywords:air traffic flow management;aircraft delay;flight preview

1.1研究意义

历年来，航班延误问题日益突出，该问题不仅对顾客带来很大的不便，而且会使公司的利益受损。为了解决航班延误的问题，其中重要的手段之一就是进行空中交通流量管理，它的本质就是削峰填谷，以此实现流量和容量的动态平衡。

我国的航班问题比较严重，其根本原因是以空军为主导的空域管理体制对民航可用空域的严格限制^[1]。同时，缺乏全国范围内统一而有效的流量控制方法、各地区管单位信息相互独立割裂的流量管理机制以及相对保守的航班流量控制策略^[2]都对航班的正常运行造成了较大影响。解决上述问题主要通过空中交通流量管理来提高航班计划合理性，应对天气情况及空军活动对航路造成的影响，促进航班运行效率，从而最终减小航班延误。

空中交通流量管理又可分为战略流量管理、战术流量管理。战略流量管理是指飞行活动日期7日前的管理工作，包括研究分析、计划和协调工作等，也可认为是静态管理。战术流量管理主要是指应用于飞行活动当日，根据实际空中流量和空中交通系统当日飞行计划，通过航路流量预测、时隙分配、空中开辟临时航线、特定路径重复和地面等待等多种手段来减少航路拥堵和流控指令的发布，从而优化实时交通流量和航班延误^[3]。

根据以上情况，本文主要研究航班预演平台的构建技术，后续实现航班计划编制阶段的流量管理策略优化，基于历史数据进行航班计划的预演和智能分析，对复杂航路网络当中的时变因素影响进行探讨。

1.2国内外研究现状

    空中交通流量管理的本质就是保证在飞行的各个阶段，空中交通需求小于交通管制服务和空域容量的最大限制。航班计划不合理所造成的航路拥堵、天气影响、军方活动或扇区调整对航路容量的影响可看作是阶跃变化，通过“削峰填谷”使需求容量平衡（Demand –Capacity Balancing,DCB）是流量管理的关键所在^[4]。而空中交通流量管理包括了机场地面、进近（终端区）和区域航路三个阶段，并形成了基于计算机仿真的容量评估方法。

    容量是指管制单元在单位时间内所能提供航空器服务的架次，而为航空器提供管制服务的主体是管制员，因此管制员工作负荷是容量评估所需考虑的最重要因素之一，裴成功、韩松臣等人考虑了实际空域地理特性、流量分布情况和实际管制工作情形影响，建立了管制员工作负荷量化模型，采用回归分析法对空域容量进行了评估^[5]。而随着动态空域概念的提出，Churchill 等人介绍了更为复杂而精准的空域模型，并给出了人在环路（Human-in-the-loop）的灵活空域概念。而胡明华、杜骏、叶博嘉等人则专注于航路空域结构本身对容量的影响，建立了航路交叉点容量估计模型，先后用网络流理论和仿真的方法分析了终端区的容量。这一方面研究还包括周天琦和邱震宇利用概率统计的方法分析研究空域容量评估问题；徐肖豪和臧志恒采用网络模型描述飞行区结构，按照实体流图法对飞行区建模；Patterson 以拉格朗日乘子法求解空中改航，算法模型较完整，但误差较大；Krozel 基于 Dijkstra 算法和带有权重的区域恶劣天气避让问题。

当前空域管理机制下，航班延误问题仍然是中国民航运输行业公认的难题和行业发展瓶颈，作为民航局运控管理部门，航班计划调整和建立高效统一的流量管理机制是化解当下困难最重要的手段。其中的关键科学问题，如协同式空中流量管理、基于复杂航路网络的空中交通流量特征分析、基于人工智能技术和先进控制算法的航班计划动态调整策略等问题有待于进一步深入研究。

2.机场等效节点化

对于建立全国范围的3D航路网络，模拟流量高峰时段在全国空域中同时飞行的民航航班数量可超过2000架次，因此必须考虑航班计划优化过程中的计算机仿真算力。而且本论文选择着重优化航路区管阶段的流量管理，为简化计算机仿真难度，可将终端区等效为航路网络中具有空域容量和航班吞吐能力的特殊节点，如图1，基于不同航班进离场历史数据对机场终端区建立等效模型，提高仿真运行效率。

图1  终端区简化建模后的空中交通航路网络示意图

3.建立全国的航路网络

    将各个机场等效节点用航路连接，建立全国的空中交通航路网络模型，它是基于终端区等效节点的三维航路网络。

本论文着重考虑先期流量管理全国航班计划的合理性问题，并兼顾飞行器进入巡航速度阶段的流量管理过程，因此需建立全国范围的三维航路网络模型，简化进离场航线，将终端区和机场进近区域抽象成网络中的特殊功能节点，该模型将保证后续研究及仿真是在全国范围的空中航路网络中进行，突破地区空管局对航班流量控制的局限性。具体研究内容包括：基于历史数据的终端区特性分析与对象建模，基于真实情报数据的全国空中航路网络模型搭建。

终端区本身就是一个小型空间航路网络，至今仍然是空域容量评估方向研究的热点。对终端区进行对终端区进行模型进行等效，仅关注航班出入和通过能力有助于简化全国范围航路网络的仿真模型，提高优化效率。对机场终端区进行等效可保留其外部边界和航路走廊口节点，简化为多边形空间立方体。通过基于真实历史数据统计对其吞吐容量进行评估，采取概率估算出航班进近及爬升离场在终端区的停留平均时间，从而最终给出终端区的空域容量和走廊口航班吞吐能力动态模型。如图2所示，终端区之间的空中路网由终端区节点、航路、导航台或导航点构成空中路网二维模型，将航路网在地形数据图上进行叠加，结合航空情报数据和地理信息系统对航路最低安全高度进行计算，为每条航路赋予可用高度层后即得到了全国范围的三维航路网络模型。

图2 全国空中航路网络示意图

4.构建航班预演平台

基于智能算法的航班流量预测仍需依赖于历史流量数据进行评估，通过整理终端区、导航台、航路基本要素形成简化后的空中交通网络。通常飞行计划确定后，航班在网络中所经过的路径即可确定，假定航班按照计划时刻起飞，其所经过的航段可以确定^[6]。通过建立输入为各航路终端区航班起飞计划和任意航路段的映射关系，对航路流量预测进行训练学习，研究基于深度神经网络和长短期记忆网络的航班流量预测模型，对空中航路网络可能冲突和堵塞区域进行辨识，并通过与真实民航运行数据比对验证算法可行性^[7]。

根据航路网络对全国所有主干航路、地区支线航路按照各航路点坐标进行数据采集。获取全国航班飞行计划数据，应包括航班代码、起飞机场、目的地机场、规定航路、机型、预计起飞时间等信息。最终实现航班预演平台的搭建。

5.对航班计划进行预演

为保证预演准确性，还需获得各家航空公司、每条航线、不同机场实际飞越各航路点的历史飞行计划性能数据，该数据可从民航局运控中心获得，以便仿真对航班进行便捷的飞行计划性能数据直接提取。按照航班计划对全国整日航班飞行航迹进行预演，根据飞行流量统计预测确定各航路节点，终端区域容量并进行冲突和拥堵判断提示。选择某一航班计划，进行航班计划的预演。

6.结论

    采用机场终端区简化模型，将终端区等效为具有航班吞吐能力的网络节点，简化了计算模型，使全国范围的复杂航路网络仿真可行性和时效性大大提高。

通过将终端区等效节点化，建立全国的空中交通航路网络模型，搭建起航班预演平台，实现对历史或未来航班计划的预演，以达到对历史流量情况进行研究分析，得出区管流量优化方案，或对未来航班计划提出预测性分析，预知流量情况，进行冲突预测或改善流量情况，提高运行效率和增加可用空域利用率。

参考文献

[1]Hall W D,Churchill A,Hwang I,et al.Dynamic Terminal Airspace Configuration[C].2013.

[2]Work D B,Bayen A M.Convex Formulations of Air Traffic Flow Optimization Problems[J].Proceedings of the IEEE.2009, 96(12):2096-2112.

[3]Patterson S S.Dynamic flow management problems in air transportation[J].Journal of Near Eastern Studies.1997, 45(2):252.

[4]傅永强.科学务实的流量管理[J].中国民用航空. 2013(01):29-30.

[5]马正平，崔德光.空中交通战略和战术级流量管理模型[J].清华大学学报(自然科学版).2003(07):903-907.

[6]高海军，王健，陈龙，等.空中交通流量管理研究综述[J].控制工程.2003, 10(6):484-487, 517.

[7]张明.终端空域扇区规划及运行管理关键问题研究[D].南京航空航天大学, 2010.